用于改进高分辨率显示器像素级测量和校正(Demura)的分数像素法

介绍
因为它们是单独的发射体，OLED(有机发光二极管)、迷你和微型led显示器中的像素在像素之间可以显示出广泛的亮度和颜色输出变化。这种可变性表现为显示器的不均匀性或mura，导致可接受显示器的低产量，拒绝昂贵的组件，或昂贵的返工。显示器的自动视觉检测已被证明可以识别缺陷，如不均匀性，具有定量的合格-不合格结果，快速的周期时间，并减少了大规模生产和商业化所需的运营成本。对于发射型显示器，像素和亚像素测量方法通过识别、测量和校正每个像素的亮度输出，实现了对显示均匀性的校准，从而产生外观完全均匀的显示器。这个过程被称为像素均匀性校正，或“demura”，依赖于像素级亮度测量的准确性，以便为每个像素计算精确的校正系数。

随着发射显示器的分辨率不断增长，像素变得越来越小，越来越多，越来越近，确保像素级的校准和校正的测量精度变得越来越具有挑战性。最新的智能手机每英寸(PPI)有400 ~ 500个像素，每个屏幕有200万~ 400万像素(次像素数的3 ~ 4倍)。为了提高测量像素级亮度值的准确性和重复性，基于图像的显示测量系统必须在每个显示像素上应用多个图像传感器像素。然而，使用多个图像传感器像素覆盖和隔离每个显示像素是具有挑战性的，特别是当测量系统的传感器分辨率相对于显示器中的高像素量是有限的。使用多个图像测量显示器可以提高每像素的有效成像分辨率，但单图像测量对于在低节拍时间内校正显示器非常重要，支持高效的大批量生产流程和新型显示器类型的商业化。

像素级测量首先依赖于像素配准，动态定位和设置测量图像中每个像素周围的感兴趣区域(ROI)的方法。这项技术最初由US7907154B2申请专利¹用于测量大画幅户外屏幕中的单个LED像素，在这种情况下，测量需要很长时间，对单个显示器进行多图像测量是很常见的。在这些应用中，ROI被设置为与图像传感器阵列对齐的统一网格。这对于多图像测量来说是足够的，这增加了每个显示像素的传感器分辨率。然而，较小的显示器(如智能手机、手表或微显示器)需要单图像测量来确保生产速度，这降低了每个显示器像素的传感器分辨率。在这种情况下，不太可能显示像素的中心与传感器像素的中心对齐，从而增加每个显示像素的moiré效果，并降低ROI精确覆盖和隔离每个显示像素的能力。

一种新的像素配准和测量方法使用分数阶图像传感器像素，以提高像素级测量精度的今天的高分辨率显示器。这种方法基于浮点数限制(而不是将ROI集中在图像传感器像素上)设置一个显示像素ROI。然后，该方法分离出包含在感兴趣区域内的分数阶传感器像素区域来计算测量值，从而提高了测量亮度值相对于传统的(全像素)显示鉴定和demura方法的精度。分数像素法的优点是使用降低的成像分辨率精确地测量显示像素或亚像素，从而优化测量系统的测试速度和成本效益。

分数像素方法
因为精确的PIXELLEVEL亮度测量需要每个显示像素的几个图像传感器像素，所以图像中的每个显示像素的中心都不一定与单个图像传感器像素的中心对齐（参见图1和2，其中中心显示像素实际上是四个图像传感器像素的交点）。以图像传感器像素为中心的ROI可以排除显示像素的有效区域（参见图1，左图），特别是当应用更少的图像传感器像素时。

图1 -插图定心显示像素ROI的影响在一个图像传感器像素(左)在显示像素的显著区域可能被排除在测量,与加权分数像素的亮度值来确定真正的中心对齐显示像素的ROI(右)。

与传统的整个像素方法相比，分数方法通过在图像传感器像素跨图像传感器像素跨越图像传感器像素来确定每个显示像素的重心来确定更好的ROI，以便确定每个显示像素的重心（如图1所示，对）。换句话说，使用许多传感器像素的浮点表示（即部分）。该投资回报率可以非常精确地定义。因此，分数像素方法可以提供比使用单图像测量的整个像素方法更精确地注册甚至是紧密间隔的像素和子像素，其中成像系统分辨率受到限制。

为了确定一个显示像素ROI的质心位置，分数像素法使用单个显示像素位置的初始输入来扫描显示，并根据设备的像素间距设置所有显示像素的初始ROI。这些ROI通过使用分数像素方法来计算每个显示像素的重心加权到图像传感器像素的最高平均亮度。然后将ROI设置为显示像素中心周围的一个边界区域，并确定图像传感器像素是否位于ROI内、部分位于ROI内或外部。对ROI内每个图像传感器像素的部分亮度值进行求和，以确定ROI的总体值(例如，每个显示像素的亮度)。参见图2。

图2 -举例说明了传统的全像素测量方法与分数像素测量方法。在传统的方法(左)中，显示像素的测量采用100%来自于ROI内面积大于50%的传感器像素的数据，而0%来自于ROI内面积小于50%的传感器像素的数据。使用分数像素法(右)，根据感兴趣区域内传感器像素面积的百分比，使用一定百分比的数据来测量显示像素。

对于像素级亮度测量，分数像素方法在应用于高分辨率的像素密集的显示器时对测量精度具有显着影响。由于显示分辨率增加并且单图像测量分辨率受到限制，测量图像可以包含部分地落在单个显示像素ROI内部或外部的图像传感器像素，这取决于亮度值是否在进出中亮度值的情况下增加测量误差的可能性目标像素的整体测量。此外，部分地在ROI内部落在ROI内的单个图像传感器像素可以捕获目标显示像素以及相邻像素的值。因此，非常重要的是，将ROI精确居中到每个显示像素，并且部分地位于显示像素ROI内的图像传感器像素被加权以确保在目标像素的测量中不考虑附近的像素值。

图3和图4描述了美国专利10971044中的分数像素测量方法。²

图3 -具有感兴趣区域的显示测量图像的一部分，其中心与显示像素中心对齐。

图4 -显示像素（560）的示意图和具有中心（572）和半径（R）的单个圆形ROI（570）。一些传感器像素（560B）完全包含在ROI内，而其他传感器像素（560A）部分地在ROI外部部分内部和部分。

评估方法的有效性
为了评估分数像素测量方法的有效性，利用辐射视觉系统对OLED器件进行了实验评估。这个评价比较了像素级亮度测量的准确性从整体和分数像素方法与参考测量。

为了建立像素级亮度值的参考，使用与显微镜物镜配对的辐射视觉系统Prometric®成像光度计用于捕获OLED显示器的极高分辨率测量图像，每英寸为577像素（子帧到区域在显示器的中心，150h x 200 w显示像素）。在参考测量图像（图5）中，显示像素ROI直径为30个图像传感器像素（每个显示像素30×30传感器像素）。为了模拟典型的测量分辨率，通过向下采样高分辨率参考测量图像来产生相同OLED显示器的测量图像。在该下采样图像（图6）中，显示像素ROI直径为3.2图像传感器像素（每显示像素的3.2×3.2传感器像素）。

测量参考测量图像(图5)中每一行水平像素的亮度值，提供显示像素的真实亮度值。然后使用整体像素和分数像素法测量下采样测量图像(图6)中每一行像素的亮度值，提供典型测量场景的亮度值。

合成测量图像也使用参考、整体和分数像素方法测量的值生成(图7到9)。在合成图像中，每个图像传感器像素报告单个显示像素的亮度值(即，图像分辨率到显示分辨率是一对一的)。从这些图像中可以明显看出，与参考(图7)和分数像素法(图9)测量的亮度值相比，使用整体像素法(图8)测量的亮度值在像素间的变化更为严重，这两种方法在视觉上非常相似。整个像素方法的变化是由于在多个图像传感器像素上不精确地计算每个显示像素ROI的亮度值，这可能包括相邻的显示像素值(像素的测量亮度高于其真实亮度)，或不包括目标显示像素值(像素的测量亮度低于其真实亮度)。

图7 -合成测量，显示参考测量图像的像素级亮度。测量图像以“假颜色”刻度显示以表示亮度值。

图8 -综合测量显示由整个像素法测量的像素级亮度。

图9 -综合测量显示由分数像素法测量的像素级亮度。

结果
图10和图11绘制了使用整像素和小数像素方法测量的单行像素的像素级亮度值，与每个像素的参考(真实)亮度相比较。在图10中，分数像素(实橙色线)和参考(实灰色线)的测量显示有很好的匹配，而整个像素测量(虚线蓝色线)与参考值有明显的偏差。此外，图11绘制了用整体和分数法测量每个像素的亮度误差百分比(ΔLv， %)与参考亮度值的比较。作为分数像素测量方法准确性的证据，该方法得到的像素级亮度值与参考值的偏差最小，小于2%。这表明，在单图像捕获过程中，采用分数像素法时，标准分辨率测量系统能够达到与极高分辨率测量系统相当的像素级亮度精度。整个像素测量方法与参考值的偏差高达10%。此偏差表示测量ROI与显示像素的不匹配，并排除或包含每个像素的重要亮度数据。在应用修正(demura)的情况下，不准确的修正系数可能会由该数据计算出来。应用不准确的校正因子表现为“校正”显示中的剩余或额外的mura。

图10 -对同一行像素(200中的第100行)，采用整体和分数像素测量方法(使用下采样图像)和参考图像测量归一化亮度(Lv)。

图11 -用整体和分数像素测量方法(使用下采样图像)测量的亮度误差百分比(ΔLv， %)与同一行像素(200行中的第100行)的参考亮度(使用参考图像)的误差百分比。

结论和影响
OLED、微led和其他发射显示器呈现出越来越具有挑战性的测量场景:与当前基于图像的测量系统相比，它们提供了更高的分辨率和像素密度，并具有固有的像素到像素亮度变化，使显示校正成为必要的质量控制措施。为大型显示器和多图像测量场景而开发的全像素方法，不适用于在所需时间内应用于新显示器分辨率的测量和校正过程。全像元方法在最终的测量中引入了显著的误差，表现为在最终的demura过程中有很强的像元对像元的变化，从而抵消了校正的好处。对人眼来说，这种效果很容易被认为是校准不良和不均匀的显示亮度，这通常是显示器制造商不能接受的。另外，一种新的分数像素方法使传感器-显示分辨率相对较低的测量系统能够比整个像素方法实现可测量的更高的精度，与用于单图像测量的高分辨率系统的精度密切匹配。这确保了极高质量显示外观的demura校正的有效性，保护了制造资源并简化了生产操作。

“分数像素法”最初被引入到“辐射视觉系统”(Radiant Vision Systems)有机发光二极管(OLED)显示器客户使用的demura工艺中，产量大幅提高，为全球智能设备市场有机发光二极管显示器的商用化做出了贡献。这些改进表明了Radiant开发的几种测量技术的优势，这些技术可以优化每个像素内测量数据的准确性，以显示分辨率不断提高的情况:分数像素法、moiré使用聚焦测量和专有的moiré滤波过程进行去除，以及间隔像素模式测量方法。^3.

参考文献

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